Techniques MIMO coopératives pour les systèmes de communication optique sans fil en espace libre

Cooperative MIMO techniques for outdoor optical wireless communication systems

• Auteur / Autrice : Mohamed Abaza
• Direction : Ali Mansour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication. Communication numérique
• Date : Soutenance le 01/12/2015
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire en sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance
• Jury : Président / Présidente : Christian Jutten
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ali Mansour, Denis Hamad, Karim Abed-Meraim, Raed Mesleh, Moustafa Hussein, Gilles Burel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Hamad, Karim Abed-Meraim

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes à entrées multiples et à sorties multiples

Télécommunications optiques en espace libre

Mots clés libres

Communications optiques en espace libre

Turbulence atmosphérique

MIMO

Codes à répétition

Codes OSTBC (Orthogonal Space-Time Block Codes)

Modulation SSK (Space Shift Keying)

Sauts multiples

Free space optical communications

Atmospheric turbulence

MIMO (multi-input /multi-output)

Repetition codes

Orthogonal Space Block Codes

Space shift keying

Multi-hop

Cooperative relays

Résumé

Au cours de la dernière décennie, les communications optiques en espace libre (FSO) ont pris de l’ampleur dans les deux domaines académiques et industriels. L’importance de FSO s’appuie sur la possibilité de faire un système de transmission économique et écologique avec un débit élevé et sans licence à l’opposition des systèmes de transmission radiofréquences (RF). Dans la plupart des travaux antécédents sur les systèmes multi-émetteurs, seulement les canaux décorrélés ont été considérés. Un canal décorrélé nécessite un espace suffisant entre les émetteurs. Cette condition devient difficile et non-réalisable dans certaines applications. Pour cette raison, nos études se focalisent sur les performances des codes à répétition RC (Repitition Codes) et les codes OSTBC (Orthogonal Space-Time Block Codes) dans des canaux log-normaux corrélés en utilisant une modulation d’intensité et une détection directe (IM/DD). En addition, les effets des différentes conditions météorologiques sur le taux d’erreur moyen (ABER) sont étudiés. Les systèmes FSO à multi-entrées/ multi-sorties MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) avec une modulation SSK (Space Shift Keying) ont été abordés. Les résultats obtenus montrent que la SSK est supérieure aux RC avec une modulation d’impulsion (Multiple Pulse Amplitude Modulation) pour toute efficacité spectrale égale ou supérieure à 4 bit/s/Hz. Nous avons aussi analysé les performances d’un système à sauts multiples (Multi-Hop) et des relais à transmission directe (forward relays). Nos simulations montrent que le système ainsi considéré est efficace pour atténuer les effets météorologiques et les pertes géométriques dans les systèmes de communication FSO. Nous avons montré qu’un tel système avec plusieurs entrées et une sortie (MISO, i.e. multiple-input single-output) à sauts multiples est supérieur à un système MISO avec un lien direct (direct link) avec une forte atténuation. Pour satisfaire la demande croissante des réseaux de communication à débits élevés, la communauté scientifique s'intéresse de plus en plus aux systèmes FSO avec des relais full-duplex (FD). Pour ces derniers systèmes, nous avons étudié la probabilité d'erreur moyenne (ABER) et nous avons analysé leurs performances. En considérant des différentes conditions de transmission, les performances de relais FD ont été comparées à celles d'un système avec un lien direct ou des relais half-duplex. Les résultats obtenus montrent que les relais FD ont le minimum ABER. En conséquence, les résultats obtenus dans cette thèse sont très prometteurs pour la prochaine génération de FSO.

Free-space optical (FSO) communication has been the subject of ongoing research activities and commercial attention in the past few years. Such attention is driven by the promise of high data rate, license-free operation, and cheap and ecological friendly means of communications alternative to congested radio frequency communications. In most previous work considering multiple transmitters, uncorrelated channel conditions have been considered. An uncorrelated channel requires sufficient spacing between transmitters. However, this can be difficult and may not be always feasible in some applications. Thereby, this thesis studies repetition codes (RCs) and orthogonal space-time block codes performance in correlated log-normal FSO channels using intensity modulation and direct detection (IM/DD). Furthermore, the effect of different weather conditions on the average bit error rate (ABER) performance of the FSO links is studied. Multiple-input multiple-output (MIMO) FSO communication systems using space shift keying (SSK) modulation have been also analyzed. Obtained results show that SSK is a potential technique for spectral efficiencies equal or greater than 4 bits/s/Hz as compared to RCs with multiple pulse amplitude modulations. The performance analysis of a multi-hop decode and forward relays for FSO communication system using IM/DD is also considered in this thesis. It is shown that multi-hop is an efficient technique to mitigate atmospheric turbulence and different weather attenuation effects and geometric losses in FSO communication systems. Our simulation results show that multiple-input single-output (MISO) multi-hop FSO systems are superior to direct link and MISO systems over links exhibiting high attenuation. Meeting the growing demand for higher data rates communication networks, a system with full-duplex (FD) relays is considered. For such a system, the outage probability and the ABER performance are analyzed under different turbulence conditions, misalignment error and path loss effects. FD relays are compared with the direct link and half-duplex relays. Obtained results show that FD relays have the lowest ABER and the outage probability as compared to the two other systems. Finally, the obtained results in this thesis are very promising towards the next generation of FSO systems.